1970～2013年呼倫貝爾地區(qū)冬季氣溫時空變化特征

王慧清

(內蒙古呼倫貝爾市氣象局，內蒙古　海拉爾　021008)

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1970～2013年呼倫貝爾地區(qū)冬季氣溫時空變化特征

王慧清

(內蒙古呼倫貝爾市氣象局，內蒙古海拉爾021008)

摘要：利用1970年12月至2014年2月內蒙古呼倫貝爾市16站月平均氣溫資料，對全市及其3個分區(qū)冬季氣溫時空變化特征進行分析。結果表明：呼倫貝爾市冬季氣溫增溫速率與全國平均水平基本一致，近44 a全市冬季氣溫總體以0.2 ℃/10 a的幅度上升，1990年代以后氣溫波動加大，1990年代為最暖期，2000年代中期以后進入變暖趨緩階段。其中，農區(qū)增溫幅度略大于牧區(qū)和林區(qū)；全市及其林區(qū)、牧區(qū)冬季氣溫在1986年發(fā)生顯著突變，由偏冷期轉為偏暖期，而農區(qū)冬季氣溫并未發(fā)生明顯突變；全市及3個分區(qū)冬季氣溫存在5～6 a、11～13 a及18～23 a的變化周期；全市冬季氣溫變化具有同步性，但又存在嶺東南和嶺西北相反的分布形式。

關鍵詞：年際及年代際變化；氣候突變；振蕩周期；EOF；大興安嶺

引言

氣候變暖給當今社會帶來巨大挑戰(zhàn)和潛在風險，不同地域氣候變化趨勢研究一直是大氣科學研究領域的一個熱點問題[1]。近100 a來在全球尺度上，冬季變暖、夏季略變冷[2]。近50 a中國冬季氣溫變暖速率顯著大于夏季氣溫升溫速率，普遍認為氣候變暖在高緯度地區(qū)更為明顯[3]，其中東北地區(qū)和內蒙古地區(qū)春、冬季增溫最明顯[4]。呼倫貝爾市地處內蒙古東北部，較東北地區(qū)緯度更高，其北部是中國最寒冷地區(qū)之一，冬季平均氣溫-28 ℃，分布有大面積多年凍土。大興安嶺山脈橫亙于呼倫貝爾境內，它對區(qū)域冬季氣溫具有重要影響：對入侵冷空氣有屏障作用以及越山后的焚風效應，造成山脊和兩麓氣候差異明顯，山脈兩側同緯度地區(qū)1月平均氣溫相差5 ℃之多[5]。因此，大興安嶺可能會對當地冬季氣候變化模式產生影響?；谝陨险J識，本文通過開展呼倫貝爾市冬季氣溫的時空變化規(guī)律研究，以期得出當地特有的一些氣候變化特征，為客觀認識該地區(qū)冬季氣溫變化事實及冬季氣溫預報預測奠定基礎。

1資料與方法

1.1資料及區(qū)域劃分

所用資料為內蒙古自治區(qū)氣候中心整編的1970年12月至2014年2月內蒙古呼倫貝爾市16站月平均氣溫資料。其中，12月至次年2月劃分為冬季，并定義1970年12月至1971年2月為1970年冬季，依次類推，標準氣候值采用1970～2013年的平均值。

王希平等[5]遵循氣候相似原則，基于17個氣象和地理因子，采用聚類分析方法進行篩選，將呼倫貝爾市劃分為3個差異明顯的氣候區(qū)。其中，大興安嶺東南部位于121°E以東、50°N以南，海拔較低為195～306 m，冬季平均氣溫-15.7～-12.7 ℃，與東北松嫩平原接壤，下墊面大多是農田，為農業(yè)氣候區(qū)(簡稱農區(qū))，氣象臺站包括莫旗(尼爾基鎮(zhèn))、扎蘭屯、阿榮旗(那吉鎮(zhèn))3站；大興安嶺西北部介于120°E以西、50°N以南，海拔554～662 m，略高于嶺東南，冬季平均氣溫-20.5～-16.5 ℃，西南與蒙古高原接壤，下墊面主要是草原，為牧業(yè)氣候區(qū)(簡稱牧區(qū))，氣象臺站包括海拉爾、陳巴爾虎旗(巴彥庫仁鎮(zhèn))、鄂溫克旗(巴彥托海鎮(zhèn))、滿洲里、新巴爾虎右旗(阿拉坦額莫勒鎮(zhèn))、新巴爾虎左旗(阿木古郎鎮(zhèn))6站；大興安嶺及其嶺東北海拔287～740 m，冬季平均氣溫-23.5～-18.2 ℃，下墊面主要是林地，為森林氣候區(qū)(簡稱林區(qū))，氣象臺站包括牙克石、額爾古納、根河、鄂倫春(阿里河鎮(zhèn))、圖里河、博克圖、小二溝(圖1)7站，見圖1。本文采用以上分區(qū)結果進行氣候特征的對比分析。

圖1　內蒙古呼倫貝爾市氣候區(qū)劃

1.2方法

為更好地研究近44 a來呼倫貝爾市及其3個分區(qū)冬季平均氣溫的年際、年代際變化特征，采用二項式系數加權平均法[6]對時間序列作10 a滑動平均處理，并對氣溫距平作一元線性回歸，以反映隨時間的長期變化趨勢。另外，利用滑動t檢驗法、Morlet小波分析法和經驗正交函數分析方法(EOF)[7]對冬季平均氣溫的氣候突變特征、周期振蕩規(guī)律和空間分布形式進行分析。

2結果分析

2.1年際變化特征

近44 a來，呼倫貝爾市冬季平均氣溫總體以0.2 ℃/10 a的幅度上升(圖2a)，其中林區(qū)和牧區(qū)冬季氣溫上升幅度與全市水平基本一致(圖2b、圖2d)，而農區(qū)的上升幅度略高，氣候傾向率約為0.3 ℃/10 a(圖2c)?？傮w來看，呼倫貝爾市冬季氣溫大致經歷2個明顯變化階段，1994年以前，全市冬季平均氣溫以1.2 ℃/10 a的幅度上升，此后以-1.3 ℃/10 a的幅度下降。然而，3個分區(qū)冬季氣溫變化階段性特征與全市不盡相同，其中林區(qū)和牧區(qū)冬季氣溫也是以1994年為界，之前波動上升，之后較大幅度地波動下降，且牧區(qū)氣溫上升和下降的幅度均高于全市，分別為1.5 ℃/10 a和-1.8 ℃/10 a，而林區(qū)與全市氣溫變化幅度相當；農區(qū)冬季氣溫以2006年為界，之前波動上升，之后持續(xù)下降，上升幅度低于全市，為0.7 ℃/10 a，下降幅度遠高于全市，為-3.6 ℃/10 a。

圖2　1970～2013年呼倫貝爾全市(a)及其林區(qū)(b)、農區(qū)(c)、牧區(qū)(d)冬季氣溫距平線性變化趨勢

研究[8-13]發(fā)現，自1950年以來華北冬季氣溫增溫率達0.27 ℃/10 a，東北地區(qū)冬季氣溫平均上升速率為0.45 ℃/10 a[14]。造成以上結果差異的原因是選取的時間段不同。當采用統一時間段時，呼倫貝爾市與東北和全國的增溫幅度基本無明顯差異(圖略)。說明呼倫貝爾市作為我國的“冷極”，冬季氣溫并沒有表現出比全國其它地區(qū)更快的增溫幅度。

IPCC第五次評估報告[15]指出，全球平均氣溫自1998年以來并沒有顯著上升(基本趨平)，即進入所謂的變暖趨緩或停頓時期，且這種變化還可能持續(xù)一段時間。由于變暖停滯期持續(xù)時間較短，傳統方法無法有效檢測到時間序列后期的突變點，由暖變冷時期的氣溫下降大致是從2006或2007年開始[16]。本文由于增加了2006年以后的數據，即增加了氣溫變暖停滯期的數據，從而降低當地冬季氣溫的增溫速率。這也間接說明呼倫貝爾市冬季氣溫變化進入變暖趨緩的階段。

2.2年代際變化特征

由表1可知，呼倫貝爾市及其3個分區(qū)冬季氣溫年代際距平的變化特征較相似，1970～1980年代距平值為負，氣溫偏冷，1990年代至2013年距平值為正，為偏暖期，其中1970年代偏冷幅度最大，尤其是農區(qū)，冬季氣溫較常年偏低1 ℃以上；而1990年代偏暖最明顯，冬季氣溫較常年偏高1.2 ℃以上，尤其是牧區(qū)偏高1.8 ℃；進入2000年代以后，冬季氣溫偏暖幅度明顯減弱。綜合來看，近44 a呼倫貝爾市冬季氣溫年代際波動最大的區(qū)域為牧區(qū)。呼倫貝爾市冬季氣溫年代際變化規(guī)律與我國北方其它地區(qū)基本相同[9-12，17-18]。

表1　呼倫貝爾市及3個分區(qū)冬季氣溫

2.3突變分析

圖3是呼倫貝爾市及其3個分區(qū)冬季氣溫的10 a滑動t檢驗?？梢钥闯?，呼倫貝爾市及3個分區(qū)冬季氣溫的滑動t檢驗曲線變化特征不盡相同，其中全市及林區(qū)、牧區(qū)冬季氣溫在1980年代中期以前以顯著降溫趨勢為主，t統計量均在1986年超過α=0.05的顯著性水平線，而后波動升溫，表明全市及林區(qū)、牧區(qū)冬季氣溫在1986年發(fā)生明顯突變，經歷由冷變暖的轉折，這與華北[10]、東北[18-20]地區(qū)冬季氣溫由冷變暖的突變時間基本一致；農區(qū)冬季氣溫雖然也在1986年出現由冷變暖的轉折，但t統計量并未超過α=0.05的顯著性水平線，說明該區(qū)冬季氣溫并未出現明顯突變。分區(qū)的結果反映出地勢對于溫度變化的重要作用，即大興安嶺對區(qū)域氣候的影響較為明顯。

圖3　1970～2013年呼倫貝爾市及其3個分區(qū)冬季氣溫的滑動t檢驗

2.4周期振蕩特征

采用Morlet小波分析方法對呼倫貝爾市近44 a冬季氣溫的標準化距平時間序列進行周期分析(圖4)。圖4中，虛線為負值表示溫度降低，實線為正值表示溫度升高。呼倫貝爾市及其3個分區(qū)冬季氣溫在1980年代初期以前和1990年代中期以后分別存在5～6 a的年際周期，1990年代初期以前還存在11～13 a 的年代際周期。另外，18～23 a的年代際周期近44 a始終存在，且周期振蕩顯著，經歷了3個冷暖交替變化，且2013年20 a尺度上的小波系數等值線尚未閉合，表明未來幾年呼倫貝爾市冬季氣溫將處于由暖變冷的過程。

另外，小波功率譜(圖略)也反映出呼倫貝爾市及3個分區(qū)冬季氣溫存在著5～6 a、11～13 a和18～23 a的變化周期，其中全市及林區(qū)、牧區(qū)的上述3個周期均通過了99.5%信度檢驗，為顯著周期，而農區(qū)的18～23 a變化周期未通過99.5%信度檢驗，為不顯著周期。

上述分析可見，呼倫貝爾市冬季氣溫存在5～6 a的年際周期和11～13 a、 18～23 a的年代際周期。其中，5～6 a的年際振蕩周期低于全國6～9 a[21]和東北地區(qū)8～9 a[18]的周期，而年代際變化周期略高于東北地區(qū)16～18 a[18]的周期。表明呼倫貝爾市冬季氣溫變化具有較高的波動性。

圖4　1970～2013年呼倫貝爾全市(a)及其林區(qū)(b)、農區(qū)(c)、牧區(qū)(d)冬季氣溫的Morlet小波實部

2.5時空變化特征

為進一步弄清呼倫貝爾市冬季氣溫異常的時空結構，對全市16個測站1970～2013年冬季氣溫距平場進行EOF展開，第一特征向量方差貢獻為85.37%，前2項特征向量的累積方差貢獻92.35%。由圖5a可見，呼倫貝爾市冬季氣溫距平EOF的第一模態(tài)一致表現為正值，值為0.21～0.29，表明該市各地冬季氣溫變化具有同步性，但又存在差異。其中，中西部為高值區(qū)，陳巴爾虎旗為高值中心，而東北部為低值區(qū)，表明在該市冬季氣溫一致偏高(或偏低)的情況下，存在西南部偏暖(偏冷)幅度較東北部偏暖(偏冷)幅度大的特征。另外從對應的標準化時間系數及其趨勢線可看出(圖略)，近44 a該市冬季氣溫呈現明顯的增溫趨勢，且存在明顯的年代際變化特征，即1980年代后期之前冬季氣溫基本以偏冷為主，之后則呈偏暖態(tài)勢。

圖5　1970～2013年呼倫貝爾市冬季平均氣溫距平EOF分析的第一模態(tài)(a)和第二模態(tài)(b)的空間分布

圖5b顯示，呼倫貝爾市冬季氣溫距平EOF的第二模態(tài)值以大興安嶺為界，嶺東南為正值區(qū)，嶺西北為負值區(qū)，表明嶺東南和嶺西北冬季氣溫距平呈現相反的分布形式，即嶺東南氣溫高(低)、嶺西北氣溫低(高)。對應的時間系數(圖略)顯示：呼倫貝爾市冬季氣溫整體呈明顯上升趨勢，在1990年代以前，主要是嶺西北氣溫較高而嶺東南氣溫較低的分布形式，之后，主要是嶺西北氣溫較低而嶺東南氣溫較高的分布形式。嶺西北隸屬于內蒙古高原，主要受西伯利亞氣團影響，屬于典型的大陸性氣候；而嶺南屬于東北平原的一部分，受海洋性季風氣候影響，大興安嶺是這2種氣候的分界點[5]。故而在大興安嶺兩側形成不同的氣溫分布形式。可見，呼倫貝爾市冬季氣溫的東西差異空間分布型主要是由地形引起的。

3結論

(1)1970～2013年，呼倫貝爾市冬季氣溫以0.2 ℃/10 a的幅度波動上升，2000年代中期以后冬季氣溫變化進入變暖趨緩的階段，但不同分區(qū)略有不同，其中農區(qū)增溫率略高于林區(qū)和牧區(qū)，且農區(qū)轉折點在2000年代中期，而林區(qū)和牧區(qū)轉折點在1990年代中期。從年代際距平變化來看，全市及3個分區(qū)冬季氣溫在1970～1980年代為偏冷期，1990年代以后為偏暖期，且1990年代為最暖期。其中，牧區(qū)冬季氣溫波動最大。

(2)呼倫貝爾市及其3個分區(qū)冬季氣溫經歷了由冷變暖的轉折，突變點在1986年，與我國東北地區(qū)冬季氣溫突變時間一致，但農區(qū)冬季氣溫突變不顯著。

(3)呼倫貝爾市及其3個分區(qū)冬季氣溫存在5～6 a、11～13 a和18～23 a的變化周期。其中，全區(qū)及林區(qū)、牧區(qū)3個周期均顯著，而農區(qū)18～23 a變化周期為不顯著周期。其中，年際振蕩周期低于全國和東北地區(qū)水平，而年代際振蕩周期略高于東北地區(qū)，說明該地區(qū)冬季氣溫變化具有較高的波動性。

(4)以大興安嶺為界，近44 a呼倫貝爾市冬季氣溫變化既存在同步性，又存在嶺東南和嶺西北相反的變化形式，這種差異主要是由地形引起的。

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Temporal and Spatial Variation Characteristics of Winter Temperature in Hulunbuir of Inner Mongolia During 1970-2013

WANG Huiqing

(HulunbuirMeteorologicalBureauofInnerMongolia,Hailaer021008,China)

Abstract:Based on the monthly mean temperature of 16 weather stations in winter from 1970 to 2013 in Hulunbuir of Inner Mongolia, the temporal and spatial variation characteristics of winter temperature in whole area and three subregions were analyzed. The results showed that the warming rate of winter temperature in Hulunbuir was consistent with the mean value of the whole country, the climatic tendency of winter temperature was 0.2 ℃/10 a in the past 44 years, thereinto the fluctuation of winter temperature increased after the 1990s, the 1990s was the warmest ten years, while the winter temperature entered into a phase of slowing warming after the middle 2000s. And the warming rate of winter temperatures in agriculture region was slightly higher than that of the pasture and forest regions of Hulunbuir. The abrupt changes of winter temperature in Hulunbuir and its forest region, pastoral region occurred in 1986, and the colder period transfered to warmer phase. However, the abrupt change of winter temperature in agriculture region wasn’t significant. There were 5-6 a、11-13 a and 18-23 a oscillation periods of winter temperature in Hulunbuir and its three subregions, but the oscillation periods of 18-23 years in agriculture region didn’t pass the 0.05 level significant test. The winter temperature variation in each area of Hulunbuir was synchronism, while there were somewhat differences at the same time, and the distribution pattern of winter temperature anomaly was opposite in the southeast and northwest of the Great Hinggan mountains.

Key words:annual and decadal variations; climate abrupt change; period oscillation; EOF analysis; Great Hinggan mountains

中圖分類號：P423.3

文獻標識碼：A

文章編號：1006-7639(2016)-02-0276-06

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-02-0276

作者簡介：王慧清(1982-)，女，碩士，工程師，主要從事預報預測相關工作. E-mail：whq_wcs@126.com

基金項目：內蒙古自治區(qū)青年氣象科技項目(nmqnqx201403)和呼倫貝爾市氣象局科學技術研究項目(hlbeqx2015003)共同資助

收稿日期：2015-06-24；改回日期：2015-08-17

王慧清.1970～2013年呼倫貝爾地區(qū)冬季氣溫時空變化特征[J].干旱氣象，2016，34(2)：276-281, [WANG Huiqing. Temporal and Spatial Variation Characteristics of Winter Temperature in Hulunbuir of Inner Mongolia During 1970-2013[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(2):276-281], doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-02-0276